한국정밀공학회 2013년도 춘계학술대회논문집
반도체 레이저 광원을 위한 비구면 실린더 유리렌즈
개발에 관한 연구
A study on Aspherical Cylindrical Glass Lens for Semiconductor Laser
*오준 걸1, #이 동 길1, 김 양 규1 ,이 광 훈1, 박 영 식1, 강 상 도2
*J. G. Oh1, #D. K. Lee([email protected])1 , Y.G.Kim1, K.H.LEE1, Y.S.Park1, S.D.Kang2
1한국광기술원 3D융합기술연구센터, 2엠피닉스(주)
Key words : Semiconductor Laser, Aspheric Cylindrical Glass Lens, Glass Mold Press, Ultra Precision Grinding
1. 서론 최근 디스플레이, 반도체, 모바일 기기 등의 국가 전략 산업에서 레이저 미세가공기술의 응용이 확 산됨에 따라 레이저 미세가공기의 수요가 급격히 증가할 것으로 예상되고 있으나, 현재 몇몇 외국 업체들이 국내외 레이저 미세가공기 시장의 대부 분을 점유하고 있는 실정이다. 그러나 근래에 들어 국내의 중소기업을 중심으로 이를 개발하고자 하 는 움직임이 나타나고 있다.1 특히 반도체 레이저 의 경우 근래에 혁신적인 기술발전에 힘입어, 모듈 의 출력이 증가하고 이로 인해 단독적으로 응용되 는 분야가 증가하고 있다. 이것 외에도 반도체 레이 저의 높은 전광변환효율을 이용하여 다른 고출력 레이저의 매질을 펌핑하는 소스로써 또한 각광을 받고 있다. 그러나 이를 개발하고자 하는 소수의 중소업체에서는 모듈에 사용되는 광학부품의 제 조기술의 부재로 인하여, 중요 광학부품들을 해외 선진사로 부터 수입에 의존하고 있는 실정이다. 반도체 레이저는 주로 레이저를 발생하는 LD Chip과 발생된 레이저를 원하는 사이즈의 빔의 형태로 모아 주는 역할을 하는 한 개 혹은 두 개의 실린드리컬 렌즈와 여러 개의 LD Chip에서 발생한 레이저 광원을 한곳으로 모아서 고출력을 내기 위한 고반사율 미러 그리고 모여진 광원을 광섬유 로 안내하는 집광렌즈로 구성된다. Fig. 1에 반도체 레이저 광원 모듈의 개략도를 나타내었다. 반도체 레이저 광원 모듈에 사용되는 하나 혹은 두 개의 실린드리컬 렌즈는 FAC(Fast Axis Collimator)와 SAC(Slow Axis Collimator)라 정의되며, 교차적으 로 시스템 모듈에 장착되어 빠르거나 혹은 느리게 퍼져나가는 레이저 빔의 형상을 제어 하는 역할을 한다. FAC 렌즈와 SAC 렌즈는 비교적 높은 출력에 사용되는 만큼, 사용되는 소재 자체의 빛 에너지 흡수로 인해 내부에서 연소되는 것을 방지 하고자 주로 유리소재를 사용하고, 광학적인 성능을 향상 시키기 위하여 비구면으로 제작되어진다. FAC 렌 즈에 광원이 입력되는 입사면에서 사용되어지는 레이저 파장인, 근적외선 영역에서 광원이 입사면 에 잘 투과 될 수 있도록 무반사 코팅을 하고 레이저 광이 광섬유 쪽으로 나가는 출사면은 고반사 코팅 을 하여 LD Chip 보호하는 역할도 할 수 있도록 해야 하기 때문에 제작의 난해성을 가지고 있다. 특히, 비구면으로 이루어진 FAC와 SAC 렌즈는 일반적인 회전 대칭형 구면 연마기를 통해 제작을 할 수가 없고, 또한 렌즈 자체의 형상이 원통형 반구 형태로 이루어 져 있기 때문에 DTM(Diamond Turning Machine)을 이용한 초정밀 연삭 가공2으로 는 제작할 수 없는 문제점들을 가지고 있다.
Fig. 1 A schematic diagram of Semiconductor Laser Module 따라서, 본 연구에서는 현재 국외 선진업체에서 수입에 의존하고 있는 반도체 레이저 모듈의 FAC 나 SAC로 사용되는 비구면 실린드리컬 렌즈를 제작할 수 있는 비회전 대칭 비구면 렌즈 금형 코어의 연삭가공법을 제시하였고 개발된 금형코 어를 이용하여 비구면 실린드리컬 유리 렌즈를 정밀 성형할 수 있는 GMP(Glass Mold Press)법2을
제시하고자 하였다.
한국정밀공학회 2013년도 춘계학술대회논문집 2. 모듈 광학설계 25W급 반도체 레이저 모듈에 사용될 비구면 실린드리컬 렌즈를 제작하기 위해, 상용 S/W인 Zemax(Ora社, USA)를 사용하여 모듈의 광학설계 를 하였다. 모듈은 광손실을 고려해서, 915nm의 파장을 가지는 10W급 LD Chip 세 개를 사용하였고, FAC, SAC, 고반사율 미러, 그리고 Focus 렌즈로 구성하였다. 최종적으로 펌핑 된 레이저 광원이 105/125 fiber(NA=0.22)에 안내되도록 설계를 하였 다. 각각의 렌즈는 구면수차를 줄이기 위해 비구면 으로 설계를 하였고, 렌즈 표면에서 반사를 줄이기 위해 무반사(AR; Anti Reflecting) 코팅을 하도록 설정하였다. 본 연구에서 제작할 비구면 실린드리 컬 렌즈인 FAC 렌즈는 광학전용 유리 소재인 K-VC89(Smita社, Japan)을 사용하였고, 한 면만 비 구면 실린드리컬 형태로 구성되도록 설계를 하였 다. 3. 비구면 실린드리컬 렌즈 제작 비구면 실린드리컬 렌즈를 성형하기 위해서, 3 축 가공이 가능한 ASP30(Nachi-Fujikoshi社, Japan) 을 사용하여 비회전 초정밀 연삭가공을 수행하였 다. 비구면 실린드리컬 렌즈는 회전 대칭형 구조가 아니기 때문에, 초경(WC) 금형코어를 가공축에 고정하고 연삭숫돌만 고속 회전시켜 연삭가공을 수행하였다. Fig. 2에 초정밀 연삭가공의 개략도와 가공된 금형코어의 결과를 나타내었다.
Fig. 2 Schematic diagram of Asymmetric Grinding and Results 비구면 실린드리컬 렌즈는 초정밀 연삭가공 된 금형코어를 이용하여 GMP법을 사용하여 성형하 였다. Fig. 3에 금형코어(a)와 성형된 실린드리컬 렌즈(b)의 측정결과를 나타내었다. 초정밀 연삭 가공된 금형코어의 형상정도는 0.57㎛였고, 성형 된 비구면 실린드리컬 면의 형상정도는 0.74㎛으 로, 렌즈의 형상정도 규격인 1.5㎛이하 보다 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
(a) Form accuracy of Mold core (b) Form accuracy of Molded lens
Fig. 3 Measurement Results of Mold Core and Molded lens 4. 결론 본 연구에서는 반도체 레이저 광원 모듈에 사용 되는 비구면 실린드리컬 렌즈를 제작하기 위하여 초정밀 연마법으로 금형코어를 제작하였고, GMP 법을 이용하여 성형하였다. 성형된 비구면 실린드 리컬 렌즈는 제품의 규격에 만족하는 우수한 결과 를 보였다. 후기 본 논문은 지식경제부 광산업기술력향상사업 “ 반도체 레이저 광원을 위한 비구면 실린더 유리렌 즈 개발”의 지원으로 수행되었으며 이에 관계자 여러분께 감사드립니다. 참고문헌 1. 이제훈, "레이저 미세가공기 개발을 위한 레이 저 미세가공용 플랫폼 개발",광학세계, 26-29, 2008.9 2. 이동길,김현욱,차두환,이학석,김혜정,김정호 " 비구면 유리렌즈 열변형 보정에 관한 연구",한 국정밀공학회지, 27,5,22-26, 2010
